Investigadores de la Universidad Aalto de Finlandia han descubierto una nueva forma de combinar efectos plasmónicos y magnetoópticos. Demostraron experimentalmente que el modelado de materiales magnéticos en matrices de puntos a nanoescala puede conducir a una modificación muy fuerte y altamente controlable de la polarización de la luz cuando el haz se refleja en la matriz. Este descubrimiento podría aumentar la sensibilidad de los componentes ópticos para aplicaciones de telecomunicaciones y biosensores.

El acoplamiento entre la luz y la magnetización en materiales ferromagnéticos surge de interacciones de la mecánica cuántica. Estas interacciones dan como resultado efectos magneto-ópticos que modifican las propiedades, como el eje de polarización o la intensidad de la luz. Las interacciones entre la luz y la materia se mejoran a nanoescala. Esta es una motivación clave en el campo de la plasmónica, que estudia la interacción de la luz con nanoestructuras metálicas.

Un tamaño nanométrico la nanopartícula metálica se comporta de manera muy parecida a una antena para longitudes de onda visibles; tales antenas nos resultan familiares en numerosos dispositivos cotidianos que funcionan con ondas de radio y microondas mucho más largas. Los investigadores aprovecharon un fenómeno conocido como resonancias de celosía de superficie en el que todas las nanopartículas, las pequeñas antenas, irradian al unísono en una matriz. La clave para esto es ensamblar las nanoantenas magnéticas en una escala de longitud que coincida con la longitud de onda de la luz entrante.

En matrices periódicas, las nanopartículas interactúan fuertemente entre sí, dando lugar a oscilaciones colectivas. Dicho comportamiento se ha informado anteriormente en nanopartículas de metales nobles y se ha investigado ampliamente en la Universidad de Aalto en el grupo de investigación Quantum Dynamics (QD).

Ahora, un esfuerzo de colaboración entre QD y el grupo de Nanomagnetismo y Espintrónica (NanoSpin) muestra que tales oscilaciones colectivas también se pueden observar en materiales magnéticos. Las resonancias de celosía de la superficie mejoran el cambio de polarización de la luz en materiales ferromagnéticos, el llamado efecto Kerr magneto-óptico.

Un hallazgo clave del estudio fue que la frecuencia que es el color de la luz, para lo cual esto sucede se puede diferenciar de la frecuencia en la que el efecto puramente óptico es más fuerte. La separación de señales ópticas y magnetoópticas se logró eligiendo una distancia diferente entre las nanopartículas en las dos direcciones de la matriz, explica el profesor Törmä.

El uso de materiales magnéticos no fue una opción obvia. Hasta aquí, La actividad óptica en materiales ferromagnéticos se ha visto limitada por su alta resistencia, lo que hace imposible observar las impresionantes resonancias de plasmón que se ven en los metales nobles.

Sin embargo, ordenando las nanopartículas en matrices y aprovechando las resonancias colectivas, este problema puede mitigarse. Este resultado abre una nueva dirección importante en el campo de la investigación que se centra en el acoplamiento de la luz y la magnetización a nanoescala, dice el profesor Sebastiaan van Dijken.

Los beneficios de la colaboración entre grupos de investigación, los que trabajan en diferentes campos, fueron fundamentales para el éxito del proyecto. Los autores subrayan que este tipo de proyecto no habría sido posible sin un amplio conocimiento tanto en óptica como en magnetismo a nanoescala. Su trabajo innovador ha sentado las bases para futuras exploraciones y tiene el potencial de hacer avanzar aplicaciones más allá de la física fundamental. El equipo conjunto utilizó las instalaciones de nanofabricación en la sala limpia de Micronova, así como las herramientas de microscopía electrónica disponibles en el Centro de Nanomicroscopía.

Los resultados se publican esta semana en la revista Comunicaciones de la naturaleza .